浅析epoll的水平触发和边缘触发，以及边缘触发为什么要使用非阻塞IO
一、基本概念
Level_triggered(水平触发)：当被监控的文件描述符上有可读写事件发生时，epoll_wait()会通知处理程序去读写。如果这次没有把数据一次性全部读写完(如读写缓冲区太小)，那么下次调用 epoll_wait()时，它还会通知你在上没读写完的文件描述符上继续读写，当然如果你一直不去读写，它会一直通知你！！！如果系统中有大量你不需要读写的就绪文件描述符，而它们每次都会返回，这样会大大降低处理程序检索自己关心的就绪文件描述符的效率！！！
Edge_triggered(边缘触发)：当被监控的文件描述符上有可读写事件发生时，epoll_wait()会通知处理程序去读写。如果这次没有把数据全部读写完(如读写缓冲区太小)，那么下次调用epoll_wait()时，它不会通知你，也就是它只会通知你一次，直到该文件描述符上出现第二次可读写事件才会通知你！！！这种模式比水平触发效率高，系统不会充斥大量你不关心的就绪文件描述符！！！
阻塞IO：当你去读一个阻塞的文件描述符时，如果在该文件描述符上没有数据可读，那么它会一直阻塞(通俗一点就是一直卡在调用函数那里)，直到有数据可读。当你去写一个阻塞的文件描述符时，如果在该文件描述符上没有空间(通常是缓冲区)可写，那么它会一直阻塞，直到有空间可写。以上的读和写我们统一指在某个文件描述符进行的操作，不单单指真正的读数据，写数据，还包括接收连接accept()，发起连接connect()等操作…
非阻塞IO：当你去读写一个非阻塞的文件描述符时，不管可不可以读写，它都会立即返回，返回成功说明读写操作完成了，返回失败会设置相应errno状态码，根据这个errno可以进一步执行其他处理。它不会像阻塞IO那样，卡在那里不动！！！
typedef union epoll_data {
void *ptr;
int fd;
uint32_t u32;
uint64_t u64;
} epoll_data_t;
struct epoll_event {
uint32_t events; /* Epoll events */
epoll_data_t data; /* User data variable */
};
二、几种IO模型的触发方式
select(),poll()模型都是水平触发模式，信号驱动IO是边缘触发模式，epoll()模型即支持水平触发，也支持边缘触发，默认是水平触发。
这里我们要探讨epoll()的水平触发和边缘触发，以及阻塞IO和非阻塞IO对它们的影响！！！下面称水平触发为LT，边缘触发为ET。
对于监听的socket文件描述符我们用sockfd代替，对于accept()返回的文件描述符(即要读写的文件描述符)用connfd代替。
我们来验证以下几个内容：
1.水平触发的非阻塞sockfd
2.边缘触发的非阻塞sockfd
3.水平触发的阻塞connfd
4.水平触发的非阻塞connfd
5.边缘触发的阻塞connfd
6.边缘触发的非阻塞connfd
以上没有验证阻塞的sockfd，因为epoll_wait()返回必定是已就绪的连接，设不设置阻塞accept()都会立即返回。例外：UNP里面有个例子，在BSD上，使用select()模型。设置阻塞的监听sockfd时，当客户端发起连接请求，由于服务器繁忙没有来得及accept()，此时客户端自己又断开，当服务器到达accept()时，会出现阻塞。本机测试epoll()模型没有出现这种情况，我们就暂且忽略这种情况！！！
三、验证代码
/*
boyli.vip
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
/* 最大缓存区大小 */
#define MAX_BUFFER_SIZE 5
/* epoll最大监听数 */
#define MAX_EPOLL_EVENTS 20
/* LT模式 */
#define EPOLL_LT 0
/* ET模式 */
#define EPOLL_ET 1
/* 文件描述符设置阻塞 */
#define FD_BLOCK 0
/* 文件描述符设置非阻塞 */
#define FD_NONBLOCK 1
/* 设置文件为非阻塞 */
int set_nonblock(int fd)
{
int old_flags = fcntl(fd, F_GETFL);
fcntl(fd, F_SETFL, old_flags | O_NONBLOCK);
return old_flags;
}
/* 注册文件描述符到epoll，并设置其事件为EPOLLIN(可读事件) */
void addfd_to_epoll(int epoll_fd, int fd, int epoll_type, int block_type)
{
struct epoll_event ep_event;
ep_event.data.fd = fd;
ep_event.events = EPOLLIN;
/* 如果是ET模式，设置EPOLLET */
if (epoll_type == EPOLL_ET)
ep_event.events |= EPOLLET;
/* 设置是否阻塞 */
if (block_type == FD_NONBLOCK)
set_nonblock(fd);
epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ep_event);
}
/* LT处理流程 */
void epoll_lt(int sockfd)
{
char buffer[MAX_BUFFER_SIZE];
int ret;
memset(buffer, 0, MAX_BUFFER_SIZE);
printf("开始recv()...\n");
ret = recv(sockfd, buffer, MAX_BUFFER_SIZE, 0);
printf("ret = %d\n", ret);
if (ret > 0)
printf("收到消息:%s, 共%d个字节\n", buffer, ret);
else
{
if (ret == 0)
printf("客户端主动关闭！！！\n");
close(sockfd);
}
printf("LT处理结束！！！\n");
}
/* 带循环的ET处理流程 */
void epoll_et_loop(int sockfd)
{
char buffer[MAX_BUFFER_SIZE];
int ret;
printf("带循环的ET读取数据开始...\n");
while (1)
{
memset(buffer, 0, MAX_BUFFER_SIZE);
ret = recv(sockfd, buffer, MAX_BUFFER_SIZE, 0);
if (ret == -1)
{
if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)
{
printf("循环读完所有数据！！！\n");
break;
}
close(sockfd);
break;
}
else if (ret == 0)
{
printf("客户端主动关闭请求！！！\n");
close(sockfd);
break;
}
else
printf("收到消息:%s, 共%d个字节\n", buffer, ret);
}
printf("带循环的ET处理结束！！！\n");
}
/* 不带循环的ET处理流程，比epoll_et_loop少了一个while循环 */
void epoll_et_nonloop(int sockfd)
{
char buffer[MAX_BUFFER_SIZE];
int ret;
printf("不带循环的ET模式开始读取数据...\n");
memset(buffer, 0, MAX_BUFFER_SIZE);
ret = recv(sockfd, buffer, MAX_BUFFER_SIZE, 0);
if (ret > 0)
{
printf("收到消息:%s, 共%d个字节\n", buffer, ret);
}
else
{
if (ret == 0)
printf("客户端主动关闭连接！！！\n");
close(sockfd);
}
printf("不带循环的ET模式处理结束！！！\n");
}
/* 处理epoll的返回结果 */
void epoll_process(int epollfd, struct epoll_event *events, int number, int sockfd, int epoll_type, int block_type)
{
struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t client_addrlen;
int newfd, connfd;
int i;
for (i = 0; i < number; i++)
{
newfd = events[i].data.fd;
if (newfd == sockfd)
{
printf("=================================新一轮accept()===================================\n");
printf("accept()开始...\n");
/* 休眠3秒，模拟一个繁忙的服务器，不能立即处理accept连接 */
printf("开始休眠3秒...\n");
sleep(3);
printf("休眠3秒结束！！！\n");
client_addrlen = sizeof(client_addr);
connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addrlen);
printf("connfd = %d\n", connfd);
/* 注册已链接的socket到epoll，并设置是LT还是ET，是阻塞还是非阻塞 */
addfd_to_epoll(epollfd, connfd, epoll_type, block_type);
printf("accept()结束！！！\n");
}
else if (events[i].events & EPOLLIN)
{
/* 可读事件处理流程 */
if (epoll_type == EPOLL_LT)
{
printf("============================>水平触发开始...\n");
epoll_lt(newfd);
}
else if (epoll_type == EPOLL_ET)
{
printf("============================>边缘触发开始...\n");
/* 带循环的ET模式 */
epoll_et_loop(newfd);
/* 不带循环的ET模式 */
//epoll_et_nonloop(newfd);
}
}
else
printf("其他事件发生...\n");
}
}
/* 出错处理 */
void err_exit(char *msg)
{
perror(msg);
exit(1);
}
/* 创建socket */
int create_socket(const char *ip, const int port_number)
{
struct sockaddr_in server_addr;
int sockfd, reuse = 1;
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(port_number);
if (inet_pton(PF_INET, ip, &server_addr.sin_addr) == -1)
err_exit("inet_pton() error");
if ((sockfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
err_exit("socket() error");
/* 设置复用socket地址 */
if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof(reuse)) == -1)
err_exit("setsockopt() error");
if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1)
err_exit("bind() error");
if (listen(sockfd, 5) == -1)
err_exit("listen() error");
return sockfd;
}
/* main函数 */
int main(int argc, const char *argv[])
{
if (argc < 3)
{
fprintf(stderr, "usage:%s ip_address port_number\n", argv[0]);
exit(1);
}
int sockfd, epollfd, number;
sockfd = create_socket(argv[1], atoi(argv[2]));
struct epoll_event events[MAX_EPOLL_EVENTS];
/* linux内核2.6.27版的新函数，和epoll_create(int size)一样的功能，并去掉了无用的size参数 */
if ((epollfd = epoll_create1(0)) == -1)
err_exit("epoll_create1() error");
/* 以下设置是针对监听的sockfd，当epoll_wait返回时，必定有事件发生，
* 所以这里我们忽略罕见的情况外设置阻塞IO没意义，我们设置为非阻塞IO */
/* sockfd：非阻塞的LT模式 */
addfd_to_epoll(epollfd, sockfd, EPOLL_LT, FD_NONBLOCK);
/* sockfd：非阻塞的ET模式 */
//addfd_to_epoll(epollfd, sockfd, EPOLL_ET, FD_NONBLOCK);
while (1)
{
number = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EPOLL_EVENTS, -1);
if (number == -1)
err_exit("epoll_wait() error");
else
{
/* 以下的LT，ET，以及是否阻塞都是是针对accept()函数返回的文件描述符，即函数里面的connfd */
/* connfd:阻塞的LT模式 */
epoll_process(epollfd, events, number, sockfd, EPOLL_LT, FD_BLOCK);
/* connfd:非阻塞的LT模式 */
//epoll_process(epollfd, events, number, sockfd, EPOLL_LT, FD_NONBLOCK);
/* connfd:阻塞的ET模式 */
//epoll_process(epollfd, events, number, sockfd, EPOLL_ET, FD_BLOCK);
/* connfd:非阻塞的ET模式 */
//epoll_process(epollfd, events, number, sockfd, EPOLL_ET, FD_NONBLOCK);
}
}
close(sockfd);
return 0;
}
四、验证
1.验证水平触发的非阻塞sockfd，关键代码在247行。编译运行
代码里面休眠了3秒，模拟繁忙服务器不能很快处理accept()请求。这里，我们开另一个终端快速用5个连接连到服务器：
我们再看看服务器的反映，可以看到5个终端连接都处理完成了，返回的新connfd依次为5,6,7,8,9：
上面测试完毕后，我们批量kill掉那5个客户端，方便后面的测试
2.边缘触发的非阻塞sockfd，我们注释掉247行的代码，放开250行的代码。编译运行后，用同样的方法，快速创建5个客户端连接，或者测试5个后再测试10个。再看服务器的反映，5个客户端只处理了2个。说明高并发时，会出现客户端连接不上的问题：
3.水平触发的阻塞connfd，我们先把sockfd改回到水平触发，注释250行的代码，放开247行。重点代码在263行。
编译运行后，用一个客户端连接，并发送1-9这几个数：
再看服务器的反映，可以看到水平触发触发了2次。因为我们代码里面设置的缓冲区是5字节，处理代码一次接收不完，水平触发一直触发，直到数据全部读取完毕：
4.水平触发的非阻塞connfd。注释263行的代码，放开266行的代码。同上面那样测试，我们可以看到服务器反馈的消息跟上面测试一样。这里我就不再截图。
5.边缘触发的阻塞connfd，注释其他测试代码，放开269行的代码。先测试不带循环的ET模式(即不循环读取数据，跟水平触发读取一样)，注释178行的代码，放开181行的代码。
编译运行后，开启一个客户端连接，并发送1-9这几个数字，再看看服务器的反映，可以看到边缘触发只触发了一次，只读取了5个字节：
我们继续在刚才的客户端发送一个字符a，告诉epoll_wait()，有新的可读事件发生：
再看看服务器，服务器又触发了一次新的边缘触发，并继续读取上次没读完的6789加一个回车符：
这个时候，如果继续在刚刚的客户端再发送一个a，客户端这个时候就会读取上次没读完的a加上次的回车符，2个字节，还剩3个字节的缓冲区就可以读取本次的a加本次的回车符共4个字节：
我们可以看到，阻塞的边缘触发，如果不一次性读取一个事件上的数据，会干扰下一个事件！！！
接下来，我们就一次性读取数据，即带循环的ET模式。注意：我们这里测试的还是边缘触发的阻塞connfd，只是换个读取数据的方式。
注释181行代码，放开178的代码。编译运行，依然用一个客户端连接，发送1-9。看看服务器，可以看到数据全部读取完毕：
细心的朋友肯定发现了问题，程序没有输出”带循环的ET处理结束”，是因为程序一直卡在了88行的recv()函数上，因为是阻塞IO，如果没数据可读，它会一直等在那里，直到有数据可读。如果这个时候，用另一个客户端去连接，服务器不能受理这个新的客户端！！！
6.边缘触发的非阻塞connfd，不带循环的ET测试同上面一样，数据不会读取完。这里我们就只需要测试带循环的ET处理，即正规的边缘触发用法。注释其他测试代码，放开272行代码。编译运行，用一个客户端连接，并发送1-9。再观测服务器的反映，可以看到数据全部读取完毕，处理函数也退出了，因为非阻塞IO如果没有数据可读时，会立即返回，并设置error，这里我们根据EAGAIN和EWOULDBLOCK来判断数据全部读取完毕了，可以退出循环了：
这个时候，我们用另一个客户端去连接，服务器依然可以正常接收请求：
五、总结
1.对于监听的sockfd，最好使用水平触发模式，边缘触发模式会导致高并发情况下，有的客户端会连接不上。如果非要使用边缘触发，网上有的方案是用while来循环accept()。
2.对于读写的connfd，水平触发模式下，阻塞和非阻塞效果都一样，不过为了防止特殊情况，还是建议设置非阻塞。
3.对于读写的connfd，边缘触发模式下，必须使用非阻塞IO，并要一次性全部读写完数据